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《工程抗震與加固改造雜志》2016年第一期

［提要］

地震會產生次生災害，為解決災后避難問題，本文擬對既有大空間結構進行加固，根據PKPM軟件計算出增大截面法和增設鋼支撐法對大空間建筑抗震加固的效果并進行分析。通過工程實例計算及分析，表明增大截面法無法顯著提高原結構的抗震性能，且不符合綠色環保的設計理念，而增設鋼支撐法可明顯提高結構的抗側移能力，故采用鋼支撐加固法對實例體育館進行加固改造更為科學可行。

［關鍵詞］

大空間結構;抗震設計;增大截面法;鋼支撐法

1引言

近年來世界各地地震頻繁發生，由于震后房屋倒塌損壞嚴重，人們無處安身避難，會導致更多的次生災害發生。為解決大量人群災后的避難問題，對大空間建筑的加固就顯得極為重要。［1－5］增大截面法及鋼支撐法對大空間避難場所進行加固的可行性為本次研究的重點。增大截面法適用于鋼筋混凝土受彎、受壓構件的加固。該方法是通過改變原有構件的截面尺寸，使構件的承載力得到提高。該方法可以廣泛應用于混凝土梁、板、柱等構件和一般構筑物的加固。其優點是在增大構件剛度的同時，承載力和變形能力也得到了提高;其缺點是濕作業工作量大、養護期長、占用建筑使用空間較多。鋼支撐法適用于抗側移剛度不足的構件加固，該法通過在抗側力構件之間增設鋼支撐來增強結構的整體性。其優點是不占有結構的使用空間，對結構的整體剛度提高較為明顯;其缺點是結構的部分使用功能被破壞，加固成本較高［6－7］。

2工程實例概況及加固目標

以唐山市某中學體育館為研究對象，該中學體育館始建于2005年，總體建筑形狀為規則矩形，柱網平面圖見圖1所示。該體育館南北長36.00m，東西長58.80m，高17.8m，建筑總面積為8998m2，主體結構的設計使用年限為50年，主體結構形式為鋼筋混凝土框架結構，上部屋面采用平板式倒放四角錐網架結構，結構形式為雙層平板網架，網架長度為53.1m，寬度為36m，厚2m，并通過支座與下部混凝土柱相連接。主體結構為鋼筋混凝土框架結構，各層構件的混凝土強度等級均采用C30級，混凝土框架部分分為六個結構層，第一層為地下室，層高為3.00m，第二層層高為3.00m，第三層層高為3.00m，第四層為看臺，層高為1.70m，第五層層高為2.40m，第六層層高為7.20m，混凝土柱尺寸主要有四種，分別為直徑700mm圓柱、直徑900mm圓柱、600mm×600mm矩形柱和700mm×700mm矩形柱。現要將該體育館作為抗震避難場所使用，對其進行抗震加固設計。要求設計滿足《防災避難場所設計規范》(報批稿)中第7.3.1條規定:(1)避難建筑應采用設置多道抗震防線的結構體系。(2)建筑形體應規則，抗側力構件在平面內布置應規則對稱，結構側向剛度沿豎向應均勻變化。(3)計算避難建筑結構地震作用時，設計基本地震加速度值、地震加速度時程的最大值和水平地震影響系數最大值，應采取在國家現行標準《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)規定的相關數值乘以表1(即《防災避難場所設計規范》(報批稿)中表7.3.1)的避難建筑調整系數后的數值。(4)抗震設防烈度為6度～8度時，避難建筑應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求采取抗震措施，抗震設防烈度為9度時，避難建筑應按比9度更高的要求采取抗震措施。因原結構按照《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)的要求，其抗震設防烈度為8度(0.2g)，設防地震分組為第一組，框架抗震等級為一級，無法滿足《防災避難場所設計規范》(報批稿)的相關規定，所以要對其進行加固改造，加固后設計使用年限不變。

3加固前抗震性能分析

原網架結構的設計模型采用SAP2000v15計算，按照《防災避難場所設計規范》(報批稿)的相關要求進行調整，因原有設計具有較大的安全儲備，各項指標均能較好滿足避難建筑的抗震要求。故本次設計調整只針對下部的鋼筋混凝土框架結構，將網架荷載折算成面荷載施加到頂層。參照原結構設計圖紙中的梁、柱和樓板的鋼筋及混凝土的強度等級，截面尺寸和實配鋼筋采用PMCAD建立模型見圖2所示。利用SATWE進行計算分析，抗震設防烈度按9度(0.4g)進行計算，框架抗震等級按1級考慮。

3．1側移計算經計算多遇地震作用下的最大層間位移出現在第六標準層，具體數值為:X向1/410，Y向1/362。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)中的相關規定，彈性層間位移角限值為1/550，原結構不滿足要求。

3．2配筋計算(1)柱配筋:標高在3.00m～6.00m間有10根柱超筋;標高在6.00m～7.70m間看臺柱全部超筋;標高在7.70m～10.10m間有五根柱超筋;標高在10.10m～17.30m間有3根柱超筋，主要是箍筋超筋。柱縱向鋼筋較原配筋平均增大15%。除箍筋超筋的柱外，大部分柱箍筋滿足要求。(2)梁配筋:梁的縱筋和箍筋均能滿足要求，其配筋最大增加3%。以上側移超限、柱箍筋超筋均是由于側移剛度不足所致。梁配筋滿足率較高是因為在計算時，沒有采用原體育場館的活荷載，而是采用2.5kN/m2的避難人員荷載計算的。增大截面加固法和鋼支撐加固法是廣泛應用的兩種加固方法，針對該體育場的基本情況應用以上兩種加固方法進行加固，從而找到環保可行的加固方法。［8－9］

4增大截面法加固計算分析

根據抗震性能分析結果，對出現超筋的梁、柱截面進行適當的增大，對其他未出現超筋現象的梁、柱截面進行相應的調整。調整結果見表2所示。利用SATWE進行計算，得到原結構的各項指標與加固后結構的各項指標的對比圖見圖3所示，實線為加固前結構相應指標，虛線為加固后結構相應指標:由以上數據可知，加固后最大層間位移角和樓層最大位移均有所減小，但減小幅度不明顯。在滿足各層柱子均不超筋的情況下，結構的最大層間位移角依然超限，此時最大框架柱的尺寸已經增大了370%，最小框架柱尺寸也已經增加了50%。顯然，如果繼續增大框架柱截面尺寸，不但會造成資源的極大浪費，還會增大施工的困難程度。

5鋼支撐法加固計算分析

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)附錄G鋼支撐—混凝土框架和鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構房屋抗震設計要求，鋼支撐框架應在結構的兩個主軸方向同時設置并宜上下連續布置，鋼支撐布置見圖4所示。通過控制鋼支撐平面內及平面外長細比，初步估算截面尺寸。經過計算后對鋼支撐截面作出進一步的調整，經過反復試驗，調整結果見表3所示。利用SATWE進行計算，得到原結構的各項指標與加固后結構的各項指的對比圖見圖5所示，實線為加固前結構相應指標，虛線為加固后結構相應指標，從圖中可明顯看出:加固后的X向、Y向最大層間位移角及變化幅度要明顯小于加固前的數值，X向、Y向樓層最大位移也明顯地小于加固前的數值。

6結論

計算分析的結果表明，在加固過程中，增大截面法無法顯著提高原結構的抗震性能，而且部分構件的尺寸變化極大，無法通過現有的施工技術實現，不符合綠色環保的設計理念。增設鋼支撐法明顯提高了結構的抗側移能力，使原結構能夠滿足《防災避難場所設計規范》(報批稿)的相關要求。因此，采用鋼支撐加固法對該體育館進行改造更為科學可行。

作者：閆亞汐 劉君陽 欒力文 韓玉濤 單位：華北理工大學 輕工學院 華北理工大學